中國儲能網(wǎng)訊：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)姚宏斌、倪勇和俞書宏研究團(tuán)隊(duì)受自然界珍珠母層具有高韌性的啟發(fā)，運(yùn)用仿生學(xué)原理構(gòu)建仿珍珠母層隔膜以有效保護(hù)鋰電池并降低安全隱患。該研究成果于近日在線發(fā)表于國際材料領(lǐng)域頂級期刊《先進(jìn)材料》上。
在商業(yè)化鋰電池中，多孔的聚烯烴因其優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性而被廣泛地用做鋰離子電池隔膜。作為電池正負(fù)極之間防止短路的隔絕層，聚烯烴內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)有利于電池在充放電過程中的鋰離子通過，但也導(dǎo)致了隔膜較差的機(jī)械性能。
尤其是當(dāng)隔膜受到外部的局部沖擊時(shí)，其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)必然會產(chǎn)生畸變導(dǎo)致開裂和部分孔關(guān)閉，從而影響鋰電池的性能和安全性。為改善鋰電池的性能，目前業(yè)界廣泛使用陶瓷納米顆粒涂層來提高聚烯烴隔膜的熱穩(wěn)定和對電解液的浸潤性，然而受力分析表明，納米顆粒涂層很難有效的抵抗局域化的外力沖擊作用，其必然會導(dǎo)致電池內(nèi)部在充放電過程具有不均勻的鋰離子流，引發(fā)電極上不均勻的鋰沉積甚至導(dǎo)致鋰枝晶的生成。
為解決這一難題，中國科大的研究團(tuán)隊(duì)在深刻理解自然界珍珠母層高韌性原理基礎(chǔ)上，在聚乙烯隔膜表面構(gòu)建仿珍珠層的“磚泥”有序結(jié)構(gòu)。在受到外力沖擊時(shí)，仿珍珠母涂層通過片片滑移的作用，有效擴(kuò)大受力面積，耗散沖擊的應(yīng)力，從而有效保護(hù)了隔膜內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，維持電池內(nèi)部均勻的鋰離子流。
據(jù)介紹，相對于使用商業(yè)陶瓷隔膜的軟包電池，采用仿珍珠層隔膜的軟包電池在沖擊時(shí)表現(xiàn)出較小的開路電壓變化和較好的循環(huán)穩(wěn)定性以及高的安全性。
為進(jìn)一步證實(shí)仿珍珠母層隔膜對商業(yè)化電池安全性的作用，研究團(tuán)隊(duì)對兩種隔膜組裝的軟包電池進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。與使用商業(yè)納米顆粒涂層隔膜的軟包電池相比，運(yùn)用仿珍珠母層隔膜的軟包電池顯示出更低的瞬時(shí)開路電壓變化和更快的電壓恢復(fù)。
研究結(jié)果表明，仿珍珠母層隔膜對電池具有良好的保護(hù)作用并且可以有效地降低許多安全隱患。該研究成果提出了構(gòu)建仿珍珠層增韌隔膜的策略，并從理論模擬和實(shí)驗(yàn)測試上證明其提升鋰電池抗沖擊的能力，這將為今后提升鋰電池的安全性開辟新途徑。
圖為商業(yè)陶瓷納米顆粒涂層隔膜和仿珍珠母層隔膜受到?jīng)_擊后的應(yīng)力分析 中國科大供圖
使用商業(yè)陶瓷納米顆粒涂層隔膜和仿珍珠母層隔膜組裝的電池的電化學(xué)性能對比 中國科大供圖
